CN111185927A - 一种集负压吸取与仿生抓取于一体的柔性灵巧手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集负压吸取与仿生抓取于一体的柔性灵巧手，该柔性灵巧手包括柔性手掌和安装在柔性手掌上的柔性手指。本发明提供的柔性灵巧手为全柔性结构，有效地解决了形状不规则多余物以及尘屑等微小颗粒多余物不易清除的问题，并且能够在有限空间内进行碰撞规避。

Description

一种集负压吸取与仿生抓取于一体的柔性灵巧手

技术领域

本发明涉及柔性机械手领域，具体涉及一种适用于空间受限的集负压吸取与仿生抓取于一体的柔性灵巧手。

背景技术

在很多诸如火箭、发射车、飞机、船舶、空间站等受限的空间内，其在装配或者检修过程中可能产生很多尘屑及不规则特征的多余物，而这些多余物通常比较难以清除。

现有技术的柔性机械手，大多为刚柔耦合的结构，如专利(CN201710361139.2)公示的一种柔性驱动机械手，其仅在部分关节和驱动部分采用SMA(形状记忆合金)的柔性传动机构，而其余结构则为刚性结构，并且结构较为复杂，不能抓取尘屑等颗粒较小的物体。

针对抓取尘屑和不规则特征的多余物时，现有技术中的柔性机械手一般只能抓取形状特征较为明显的物体，抓取方式较为单一，不能针对不同形状的物体，智能的选取最优的抓取方式；并且，一般只作为执行器机构，不能进行自主避障，尤其是在火箭、发射车、飞机、船舶、空间站等受限空间内作业时，无法在清除多余物时，保证其他元器件的安全性。

由于上述原因，亟需设计出一种能够智能抓取尘屑和不规则特征多余物的柔性灵巧手。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明人进行了深入研究，设计出一种集负压吸取与仿生抓取于一体的柔性灵巧手，该柔性灵巧手为全柔性结构，有效地解决了形状不规则多余物以及清除尘屑等微小颗粒多余物不易清除的问题，并且能够在受限空间内进行碰撞规避。

根据本发明，提供一种集负压吸取与仿生抓取于一体的柔性灵巧手，所述柔性灵巧手包括柔性手掌和安装在柔性手掌上的柔性手指。

所述柔性手指可设置为一根或多根，例如设置为五根，包括大拇指、食指、中指、无名指和小拇指，可通过塑料卡簧相连，内部为空腔结构，其末端安装在柔性手掌上。

优选地，在柔性手指之一(如中间手指或中指)上可安装有负压柔性吸管，其可由吸尘马达驱动；在柔性手指之一(如边缘指或小拇指)的末端可设置辅助装置。

所述柔性手掌内部安装有柔性软管，优选为充压柔性软管，可对柔性手指进行充压充气和负压吸气操作。

本发明中柔性手掌和柔性手指表面贴附有柔性触觉传感器。所述柔性手指此外还包括柔性复合驱动器和充气空腔，所述柔性复合驱动器可由介电弹性体与柔性电极多次间接铺层而成。

上述辅助装置和/或柔性触觉传感器可以实时反馈诸如工作环境及障碍物等信息。

本发明所提供的柔性灵巧手能够进行吸取和抓取，其有益效果包括：

1)可准确识别多余物类型，并能够智能选择清除方式和抓取方式，从而可靠清除尘屑及不规则物体等异类多余物；

2)能够自主规避受限空间边界，在清除多余物时，保证其他元器件的安全性；

3)能够在受限空间内检测及清除异类多余物，改变或替代传统手工作业方式，解决航空、航天、兵器、船舶等领域的异类多余物的控制难题，为诸如电力等其他行业的多余物清除提供设计参考。

附图说明

图1示出本发明柔性灵巧手的结构示意图；

图2示出本发明柔性灵巧手的剖面示意图；

图3示出本发明柔性中指的结构示意图；

图4示出本发明柔性拇指的结构示意图；

附图标记说明

1-负压柔性吸管，2-柔性手指，3-充气空腔，4-充压柔性软管，5-柔性手掌，6-辅助装置，7-柔性触觉传感器，8-柔性复合驱动器。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

现有技术中，柔性机械手大多为刚柔耦合的结构，而这种结构通常只能夹持特定形状的物体，并且不能进行自主避障，为解决以上问题，本发明提供了一种集负压吸取与仿生抓取于一体的柔性灵巧手，该柔性灵巧手为全柔性结构，包括柔性手掌5和安装在柔性手掌5上的柔性手指2，如图1所示。

本发明中，为了有效的抓取物体，所述柔性手指2可设置为一根或多根，如图1和图2中即设置为类似人类手部的五根手指，进一步地五根柔性手指可相互配合用于抓取各种形状尤其是不规则形状的多余物，所述柔性手指2末端安装在柔性手掌5上，优选地通过塑料卡簧相连。

本发明中，所述柔性手掌5由柔性材料制备，优选为柔性硅胶注塑成型，其内部安装有多根充压柔性软管4，可对柔性手指2进行充压充气或负压吸气操作，实现对柔性手指2的刚度调节。

根据本发明，所述柔性手指2呈圆柱状，内部为空腔结构，如图2所示；所述柔性手掌5和柔性手指2表面均贴附柔性触觉传感器7。

具体地，所述柔性手指2主要由柔性复合驱动器8、柔性触觉传感器7和充气空腔3构成，如图3所示。

根据本发明优选的实施方式，所述柔性复合驱动器8由介电弹性体与柔性电极多次间接铺层而成。

根据本发明优选的实施方式，柔性复合驱动器8可按以下工艺来制备：

首先，将介电弹性体进行拉伸，优选先将介电弹性体制成薄膜然后进行拉伸，例如可向周围方向将薄膜拉伸一定的倍率，例如3-6倍；

然后，在拉伸后的介电弹性体薄膜表面粘附柔性电极，优选在薄膜的上下表面分别粘附一层柔性电极，根据需要，该柔性电极可以制成特定形状，例如矩形、梯形或方波形，这样的柔性电极适于后续进行缠绕卷曲；

最后，将粘有或涂有柔性电极层的介电弹性体薄膜进行成型，例如相应于手指形状，缠绕卷曲成圆柱形。

根据本发明，按以上工艺或方式制得的柔性复合驱动器8为多层结构，从横切面方向看，该圆柱形由多层复合而成，从而最终形成了由柔性电极层和介电弹性体层间隔铺设的多层结构的复合柔性驱动器8，例如，由外向内依次为柔性电极层-介电弹性体层-柔性电极层-介电弹性体层-柔性电极层等等多个铺层。优选地，本发明由此构成的复合柔性驱动器8还可进一步加工，例如，最终将圆柱柔性驱动器的一端用塑料卡环封闭，并用切刀整形成手指状，另一端用塑料卡环与柔性手掌5链接。

而介电弹性体材料和柔性电极可在电驱动的作用下，五根手指可相互配合共同实现本发明所述的柔性灵巧手的拿、抓、捏、握等不同的动作。

根据本发明优选的实施方式，以下对以上各种动作的实现或实施加以具体描述，以说明哪根或哪几根手通过哪些形态变化或相互配合来完成相应的拿、抓、捏、握等不同的动作，其中也体现了本发明所采用的控制逻辑：

拿：指的是针对很大的物体，采用五根手指进行“拿”的操作，此时，首先将五根手指，通过柔性软管4进行充气充压，使得手指拥有一定的刚度，然后通过控制五根手指的柔性电极，使得手指做出相应的弯曲变形，做出“拿”的动作；

抓：指的是针对体积适中的物体，采用三根手指(例如，大拇指、食指、中指)进行“抓”的操作，此时，首先将这三根手指，通过柔性软管4进行充气充压，使得手指拥有一定的刚度，其余的手指适当充压，然后通过控制这三根手指的柔性电极，使得手指做出相应的弯曲变形，其余两根手指通电成握紧的状态，由此可做出“抓”的动作；

捏：指的是针对体积较小的物体，采用两根手指(例如，大拇指和食指)进行“捏”的操作，此时，首先将这两根手指，通过柔性软管4进行充气充压，使得手指拥有一定的刚度，其余的手指适当充压，然后通过控制这两根手指的柔性电极，使得手指做出相应的弯曲变形，其余三根手指通电成握紧的状态，由此可做出“捏”的动作；

握：指的是针对体积较大的物体，采用的控制方法与“拿”类似。

很明显的是，本发明所述的柔性灵巧手均采用柔性材料制成，可有效避免与被抓取物和其他物体的刚性接触。

本发明中，为了能够有效地清除尘屑等微小颗粒多余物，可在柔性手指的柔性中指上安装有负压柔性吸管1，并可通过吸尘马达驱动负压柔性吸管1进行负压吸收，进一步有效地清除尘屑等微小颗粒多余物。

本发明提供的柔性灵巧手，特别是对于形状不规则多余物能够进行有效抓取。

为此，根据本发明优选的实施方式，本发明通过深度学习的方法，结合基于长短期记忆网络，构建表示模式随时间演化的生成模式，控制柔性灵巧手驱动的工作方式和工作顺序，从而实现对异类多余物的最优抓取及清除。

根据本发明，为了能够实现柔性灵巧手智能识别待抓取物的类别以及选用哪种方式进行抓取，本发明还在柔性小拇指末端设置有辅助装置6。

根据本发明优选的实施方式，所述辅助装置通常采用摄像机或者录像机，优选使用体积较小、采集像素较高的摄像机或者录像机，更优选其应带有照明设备，以便适合不同应用场所，特别是提供明亮、清晰的环境。

本发明中，可采用常规的链接或连接方式对辅助装置进行固定，例如采用塑料卡环将辅助装置固定在小拇指的末端，如图2所示。

根据本发明优选的实施方式，所述辅助装置6可包含照明设备、高清摄像头等，为柔性灵巧手的工作环境和待抓取物的识别起到至关重要的作用，如可通过摄像头进行场景采集和识别，确定多余物的类型和形状，并智能选择通过负压清除还是手指抓取的方式清除多余物。

根据本发明，还可以通过调节充压柔性软管4的充气强度，进一步改变柔性手指2的形状和刚度，以便更有效地实现柔性灵巧手在受限空间进行合理规避，并保护工作环境内其他元器件的安全。

为此，本发明优选地，能对工作环境及障碍物信息进行实时处理分析，该优选信息来自于辅助装置6和柔性触觉传感器7的实时反馈，然后以反馈的形式控制电驱动的柔性复合驱动器8，或者实时调节充压柔性软管4的充气强度，根据工作环境及障碍物信息进行实时自主调节，以便更有效地实现柔性灵巧手在受限空间进行合理规避，并保护工作环境内其他元器件的安全。

本发明提供的柔性灵巧手具有广泛的用途，主要用于吸取和/或抓取，并且可集负压吸取与仿生抓取于一体。

应用过程中，本发明提供的带有柔性复合驱动器8(优选按前述方式进行制造)的灵巧手可以实现动作控制、信息反馈以及任选的自主学习等，从而完成一系列复杂的动作，例如前述的拿、抓、捏、握等动作。本发明灵巧手使用过程中，实施各动作时一般包括建模(或感知)、自适应运动、完成动作等步骤。

根据本发明，以下以车舱场景为例，具体描述本发明灵巧手的控制方式或操作步骤：

步骤一，通过采集受限空间中物体的场景信息，利用静态场景注意机制，对整个车舱内场景环境进行建模，从而建立柔性灵巧手对车舱内场景的感知；

步骤二，根据柔性触觉传感器7的定位与检测的信息反馈，建立柔性灵巧手的运动学模型和动力学模型，通过将手指传感器中信息的变化和环境参数的变化，可实现多指灵巧手手指的自适应运动；

步骤三，基于深度学习的方法，面向受限空间内不规则物体的多种形状，建立具有自主动态调节的多指柔性灵巧手的机构模型，从而有效控制气压泵的充气与柔性电极的通断电，提高柔性灵巧手的对受限场景中不规则物体的预测抓取能力和定位精度，完成对不规则物体的精准动作，包括拿、抓、捏、握等动作，优选抓取动作。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性灵巧手，其特征在于，该柔性灵巧手包括柔性手掌(5)和安装在柔性手掌(5)上的柔性手指(2)。

2.根据权利要求1所述的柔性灵巧手，其特征在于，柔性手指(2)设置为一根或多根，例如设置为五根，其末端安装在柔性手掌(5)上。

3.根据权利要求1所述的柔性灵巧手，其特征在于，柔性手指(2)可通过塑料卡簧相连，内部为空腔结构。

4.根据权利要求1所述的柔性灵巧手，其特征在于，柔性手掌(5)内部安装有柔性软管(4)，优选为充压柔性软管，可对柔性手指(2)进行充压和负压操作。

5.根据权利要求1至4之一所述的柔性灵巧手，其特征在于，柔性手掌(5)和柔性手指(2)表面贴附有柔性触觉传感器(7)。

6.根据权利要求1至5之一所述的柔性灵巧手，其特征在于，柔性手指(2)包括柔性复合驱动器(8)、柔性触觉传感器(7)和充气空腔(3)，优选地，柔性复合驱动器(8)由介电弹性体与柔性电极多次间接铺层而成。

7.根据权利要求1所述的柔性灵巧手，其特征在于，在柔性手指(2)之一(如中间手指或中指)上可安装有负压柔性吸管(1)，其可由吸尘马达驱动。

8.根据权利要求1所述的柔性灵巧手，其特征在于，柔性手指(2)之一(如边缘指或小拇指)的末端设置有辅助装置(6)。

9.根据权利要求6至8之一所述的柔性灵巧手，其特征在于，辅助装置(6)和/或柔性触觉传感器(7)可以反馈信息。

10.根据权利要求1至9之一所述的柔性灵巧手的用途，用于负压吸取和仿生抓取。

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